第三章 生物医学常用放大器

d
(2)共模( common mode) 输入
ui1 = ui2 = uC
U oc 共模电压 Ac = 放大倍数: Uc
结论：任意输入的信号: ui1 , ui2 ，都可分解成 差模分量和共模分量。
ui1 - ui 2 差模分量: u d = 2 ui1 ui 2 共模分量: uc = 2
的生物电信号淹没，必须有足够的信噪比。 5. 低漂移
为防止温度漂移带来的干扰，淹没有用的生物电信号，
该放大器必须具有低的温度漂移特性，使放大器受温度的 影响很小。
6. 适当的频率响应
避免频带过宽或过窄。
§3.2 负反馈放大器
反馈的概念
1.def： 反馈（feedback），是将放大器的输出信号（电压或电流）的 一部分或全部通过某种电路（反馈电路）引回到放大器的输入端， 与输入信号叠加，就称为反馈。 3. 反馈放大器的组成框图： （P61） 2.反馈的分类： 正反馈 负反馈
1 ( RC // RL ) 2 Ad = Ad 1 = Ad 2 = RB rbe1
2. 输入输出电阻 ro
RC
RB ui1 ic1 ic2 uo uod1 T1 +UCC
RC T2
RB ib2 R ui2
R ib1
uod2 E
ri
ri
输入电阻： ri = 2[ R //(rbe1 RB )] 输出电阻： ro = 2RC
1. 高放大倍数
前提是避免出现波形失真，所以需要采用负反馈以 提高稳定性。 2. 高输入阻抗 由于生物信号是高内阻的微弱电信号，所以生物医 学放大器的输入级必须有很高的输入阻抗，以防止生 物电信号的衰减和失真。
3. 高共模抑制比
以抑制干扰信号。
生物医学放大器的基本要求：
4. 低噪声
由于生物信号是微弱的电信号，所以为防止噪声将有用
uo
RE2
uo
有时会将 信号淹没 t
当 ui= 0 时,uo≠ 0,有一缓慢、不 规则的输出(漂移)，主要是温度、 0 参数、电源变化引起。
差分放大器 基本差分放大器——结构对称
R1
( 课本P68 )
+UCC
RC
T1
RB
uo
T2
RC
R1
RB
ui1
ui2
抑制零漂的原理 当ui1 = ui2 = 0 时：uo= uC1 - uC2 = 0 当温度变化时：uo= (uC1 + uC1 ) - (uC2 + uC2 ) = 0
T1
ui1
uod2 E
uod1 - uod 2 Ad 1ui1 - Ad 2ui 2 Ad 1 (ui1 - ui 2 ) Ad 1ui Ad = = = = = Ad 1 = Ad 2 ui ui ui ui
若差动电路带负载RL (接在 C1 与 C2 之间), 对于差 动信号而言，RL中点电位为 0, 所以放大倍数：
差模电压放大倍数：
uo uo AC = = ui1 - ui 2 2ui1
(很大，>1)
共模抑制比(CMRR)的定义
( 课本P72 )
CMRR — Common Mode Rejection Ratio KCMRR =
Ad Ac
(分贝)
Ad KCMRR (dB) = 20 log Ac
例: Ad=-200 Ac=0.1
ib1 ( RB rbe1 )
RB ib1
=-
RC
RB rbe1
Ad1 = Ad 2
B1 C1 rbe1 E
ui1
ib1
RC
uod1
差模电压放大倍数:
RC RB R ib1
uod Ad = ui
即：总的差动电 压放大倍数为：
ic1 ic2 uod uod1
RC T2
RB ib2 R ui2
四、对通频带的影响
( 课本P67 )
引入负反馈使电路的通频带宽度增加——展宽频带：
B f = (1 Ao F ) Bo
A Ao AF Bo BF f
集成运放中负反馈的形式：
Rf
uu



uo
§3.3 直流放大器 多级放大电路
1. 多级放大电路框图
2. 多级放大电路组成原理
许多放大器都是由多级放大电路组成的，各级放大电 路对微弱信号进行接续放大，从而获得必要的电压幅数或 足够的功率。
共模电压放大倍数AC
+UCC
R1 RC RB T1 ui1
uo T2
RC
R1 RB ui2
共模输入信号： ui1 = ui2 = uC （大小相等，极性相同） 理想情况：ui1 = ui2 uC1 = uC2 uo= 0 但因两侧不完全对称， uo 0
共模电压放大倍数：
AC = uo uC
( 课本P70 )
RE 对差模信号作用
ui1 ui2 ib1 , ic1 ib2 , ic2 ic1 = - ic2 iRE = ie1+ ie2 = 0 uRE = 0 RE对差模信号不起作用 +UCC RC ic1 ic2 uo T1 T2
RC
RB
ui R ib1 R
RB ib2
iRE
RE –UEE
第三章 生物医学常用放大器
§3.1 生物电信号的特点
§3.2 负反馈放大器
§3.3 直流放大器 §3.4 功率放大器
§3.1 生物电信号的特点
生物电信号：
1.def： 是人体内各种组织和细胞自发的或者在各种刺激下产生和传递 的电脉冲，例如：心电、脑电、肌电等。 2.生物电信号获得的方法： 医学中常通过在人体上施加一些物理因素的方法来获得生物 电信号，例如：超声波诊断仪等。
（很小，<1)
差模电压放大倍 数Ad
ui1
R1 RC RB T1
uo T2
RC
R1
RB
+UCC
ui2
差模输入信号： ui1 = - ui2 =ud （大小相等，极性相反） 设uC1 =UC1 +uC1 ， uC2 =UC2 +uC2 。 因ui1 = -ui2， uC1 = -uC2
uo= uC1 - uC2= uC1- uC2 = 2uC1
Ao (1) AF = 1 Ao F
负反馈使放大倍数下降。 反馈深度
定义： 1 Ao F
(2)
引入负反馈使电路的稳定性提高。
1 (3) 若 Ao F 1 称为深度负反馈，此时 AF = F
在深度负反馈的情况下，放大倍数只与反馈网络有关。
二、改善波形的失真
( 课本P65 )
加反馈前
ui
多级放大器的组成模式可用下列框图示意： 输 入
第一级 第二级 第(n-1)级 第n级
耦合
前置级 电压放大
末前级
末级(输出级)
输 出
功率放大
耦合方式：直接；
阻容；变压器耦合
§3.3 直流放大器
直接耦合放大器
RC1
R1
RC2
+UCC
R2
T1 T2 RE2 uo
ui
直接耦合电路的特殊问题
问题 1
前后级Q点相互影响
设ui1 = ui2 = 0
温度T 自动稳定 IC IC IE = 2IC
IB
UE
UBE
( 课本P70 )
RE 具有强负反馈作用
2. Q点的计算 直流通路
RB T1 ui1 T2 RC
+UCC
IC1 IC2
uo
RC RB
IB IE
RE –UEE
IB
ui2
IB
U EE - U BE = RB 2(1 ) RE
理解：并联负反馈相当于在输入回路中并联了 一条支路，故输入电阻减小。
负反馈对输入电阻、输出电阻的影响。 P67 表3-2
3. 电压负反馈使电路的输出电阻减小：
例如:射极输出器
理解：电压负反馈目的是阻止uo的变化，稳定 输出电压。 放大电路空载时可 等效右图框中为电 压源（内阻小）： ro eso
差模信号通路
RC
RB
ui1 R ib1
ic1 ic2 uo uod1 T1 uod2 E
RC T2
RB ib2 R ui2
T1单边微变 等效电路
RB ib1
B1 C1
rbe1 E
ui1
ib1
RC
uod1
1. 放大倍数
uod 1 单边差模放大倍数: Ad 1 = ui1
Ad 1 = -
ib1RC
Ao ud
uo
加反馈后
ui uf
+
–
Ao
F
uo uo
改善
含负反馈的放大器改善波形失真的方法。 （课本P65 图3-6）
三、对输入、输出电阻的影响
1. 串联负反馈使电路的输入电阻增加： 例如:射极输出器
( 课本P67 )
理解：串联负反馈相当于在输入回路中串联了 一个电阻，故输入电阻增加。
2. 并联负反馈使电路的输入电阻减小：
F=


Af =



Xo

=
Xo Xd X
f
Xf

Xi

Xo
Xo


f
Ao =



Xo

=
Xd

=
f

Ao
=
Ao

1

X

1
Xo X

1 Ao F

Xd
Xd
Xd Xo
Xd = X i - Xf

Ao Af


开环放大倍数 闭环放大倍数
( 课本P64 )
一、对放大倍数的影响
Xi +
–
Xd
基本放大 电路Ao
Xo
Xf
反馈回电路F
反馈放大器的三个环节：
迭加： X d
= Xi - Xf
+
( 课本P64 )
可见，引入负反馈后，闭环放大倍数仅为开环放大倍数的
1 1 1 Ao F F
其实，引入负反馈是以牺牲放大器的放大倍数换取电路的稳定。 例：P65 例3-1
RL
uo
输出电阻越小，输出电压越稳定，反之亦然。
4. 电流负反馈使电路的输出电阻增加：
理解：电流负反馈目的是阻止io的变化，稳定 输出电流。 放大电路空载时可等 效为右图框中电流源 （内阻大）：
io iso ro RL
输出电阻越大，输出电流越稳定，反之亦然。
电压反馈能稳Biblioteka Baidu输出电压, 电流反馈能稳定电流
§3.1 生物电信号的特点
生物电信号：
3.生物电信号的特点： （课本P59 表3-1） （1）频率低 绝大多数生物电信号处于低频段。 （2）幅值小 绝大多数生物电信号幅值非常微弱。 （3）信噪比低 由于某些生物电信号比较微弱，所以很容易被其他 更强些的电信号淹没。
生物医学放大器的基本要求：
生物医学放大器的主要作用是将微弱的生物电信号进行放大， 以方便后续的进一步处理、记录或显示。 生物医学放大器基本要求：
R1 RC1 R2 T1
多级放大电路
RC2
T2
+UCC
ui
解决办法
uo
RE2
增加R2 、RE2 : 用于设置合适的Q点。
问题 2
零点漂移
R1 RC1 R2 T1 ui
RC2 T2
+UCC
前一级的温漂将作为后 一级的输入信号，使得 当 ui 等于零时， uo不 等于零，且逐级放大。 解决办法 输入级采用差分放大电路
( 课本P61、P64 )
Xi +
–
Xd
基本放大 电路Ao
Xo
Xf
反馈回电路F
反馈放大器的三个环节：
放大：
Ao =

Xo
Xd
3. 反馈放大器的组成框图：
Xi +
–
Xd
基本放大 电路Ao
Xo
Xf
反馈回电路F
反馈放大器的三个环节：
反馈： F
=
Xf Xo
3. 反馈放大器的组成框图：
+UCC RC RB T1 ui1 RE –UEE T2 uo RC RB
ui2
双电源的作用：
（1）使信号变化幅度加大。
（2）IB1、IB2由负电源-UEE提供。
+UCC
二、 静态分析
1. RE的作用 —— 抑制温度 漂移，稳定静 ui1 态工作点。
RB
RC
uo
RC
RB
T2 ui2
T1
RE –UEE
IC1= IC2= IC= IB
UE1= UE2 =UEE－IB×RB－UBE UC1= UC2= UCC－IC×RC UCE1= UCE2 = UC1－UE1
三、 动态分析
1. 输入信号分类 (1)差模(differential mode)输入
ui1 = -ui2= ud
U od 差模电压 Ad = 放大倍数: U
KCMRR=20 lg (-200)/0.1 =66 dB
双电源长尾式差分放大器
一、结构
RC RB T1 ui1 RE –UEE T2 uo RC RB +UCC
( 课本P69 )
ui2
特点：加入射极电阻RE ；加入负电源 -UEE ， 采用正负双电源供电。 为了使左右平衡，可 设置调零电位器:
Xi +
–
Xd
基本放大 电路Ao
Xo
反馈回电路F 若引回的信号削弱了输入信号，就称为负反馈。 若引回的信号增强了输入信号，就称为正反馈。
Xf
二、负反馈放大器的分类
电压串联负反馈 电压并联负反馈 交流反馈 负 反 馈 直流反馈 电流串联负反馈 电流并联负反馈 稳定静态工作点
3. 反馈放大器的组成框图：
注意：ui1 = uC + ud ；ui2 = uC - ud 例: ui1 = 20 mV , ui2 = 10 mV 则：ud = 5mV , uc = 15mV
(一) 差模输入
RC RB T1 均压器 ui R
+UCC uo T2 RE
RC RB
R
–UEE
1 u i1 = u i = u d 2 1 u i 2 = - u i = -u d 2